CN114434491A - 空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，其特征在于，设有接口端盖(1)、接口对接盘(2)、锁定滑动套筒(3)、锁定旋盘(4)、圆锥弹簧(5)、扭簧(6)、锁定销(7)、接口底盘(8)、接口滑动内槽筒(9)，其中所述接口端盖(1)与锁定滑动套筒(3)固定连接，所述接口对接盘(2)上设计有周向分布的与接口端盖(1)配合的凹槽，以限制接口对接盘(2)的周向转动，接口端盖(1)压紧锁定滑动套筒(3)为其提供轴向定位；本发明具有锁定可靠、解锁和锁定快捷方便、机械结构强度高、接口连接强度刚度高、接口连接拓扑连接形式多样、体积小、主被动同构等优点。

Description

空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口

技术领域：

本发明涉及一种机械连接锁定接口装置，具体的说是一种锁定可靠、解锁/锁定准确快捷、强度高、体积小的空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口。

背景技术：

目前对于太空环境的开发和利用活动主要是为航天器提供组装、检测、维修等在轨服务。由于太空环境的复杂性，采用航天员和机械臂进行在轨服务风险大、成本高，且能完成的工作任务有限。可重构机器人因其模块种类多样、构型层次丰富、灵活性强、可实现多层次重构、且能更好的应对在对在轨服务对象复杂化的问题的特点而成为在轨服务研究的重点。

可重构机器人在进行目标构型的搭建时，需要靠模块自身的接口进行可靠连接。但由于目前传统的可重构机器人机械连接接口连接强度、刚度低、体积大、接口锁定精度不佳、接口连接形式单一仅有一种连接形式等原因，在形成构型搭建时，难以维持目标构型，且整个可重构机器人刚度极低不能完成既定的目标任务，严重影响了在轨服务的质量。

发明内容：

本发明针对现有技术中的缺点和不足，提出了一种通过弹簧推块式的结构，利用扭簧和圆锥弹簧实现锁定旋盘的预紧和复位的作用，从而实现机械连接接口的快速可靠对接的空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口。

本发明通过以下措施达到：

一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，其特征在于，设有接口端盖(1)、接口对接盘(2)、锁定滑动套筒(3)、锁定旋盘(4)、圆锥弹簧(5)、扭簧(6)、锁定销(7)、接口底盘(8)、接口滑动内槽筒(9)，其中所述接口端盖(1)与锁定滑动套筒(3)固定连接，所述接口对接盘(2)上设计有周向分布的与接口端盖(1)配合的凹槽，以限制接口对接盘(2)的周向转动，接口端盖(1)压紧锁定滑动套筒(3)为其提供轴向定位；所述锁定滑动套筒(3)与接口滑动内槽筒(9)的外伸凸台进行配合，使接口滑动内槽筒(9)仅可轴线上下运动；所述锁定旋盘(4)与锁定滑动套筒(3)外圆配合，通过锁定滑动套筒(3)的轴肩进行轴向定位，并且锁定旋盘(4)与接口端盖(1)之间留有间隙，以减小锁定旋盘(4)在锁定及解锁的旋转过程中的摩擦力；所述圆锥弹簧(5)安装于锁定滑动套筒(3)和接口底盘(8)之间，并通过两者进行轴向定位；所述扭簧(6)与锁定销(7)外圆配合，并通过钩环与锁定旋盘(4)配合，扭簧(6)另一端通过与接口滑动内槽筒(9)接触以提供周向定位，防止其转动；所述定位销(7)与接口底盘(8)进行固定连接，定位销(7)底部形状与接口底盘(8)的销孔形状配合，以进行周向配合；所述接口底盘(8)通过螺钉与空间球形自重构细胞机器人固定连接，安装在机器人单元机体上；所述接口滑动内槽筒(9)通过螺纹与接口底盘(8)进行连接。

本发明通过沉头螺钉固定在空间球形自重构细胞机器人机体上。

本发明中接口端盖(1)用于为锁定旋盘(4)和接口对接盘(2)提供定位安装作用；接口对接盘(2)提供对接孔，在对接过程中对其它接口的定位销起周向定位作用；锁定滑动套筒(3)用于与接口滑动内槽筒(9)配合，使得接口对接盘(2)等零件的直线运动，从而实现接口的锁定与解锁；锁定旋盘(4)的作用是用于与锁定销凹槽配合，实现锁定销的锁定工作；圆锥弹簧(5)的作用是为接口对接盘(2)提供回复力；扭簧(6)用于在解锁及锁定过程中为锁定旋盘(4)提供运动回复力；锁定销(7)用于在接口对接过程中，先进行定位，为后续接口对接过程中，提供准确定位，而且锁定销(7)还可以为扭簧(6)提供定位、安装作用；接口底盘(8)的作用是为其他零件提供定位安装作用；接口滑动内槽筒(9)用于提供直线运动的滑槽，使接口对接面上下运动实现对接与解锁。

本发明所述接口对接盘(2)上设计有周向分布的4个凹槽与接口端盖(1)配合，限制接口对接盘的周向转动。

本发明锁定旋盘(4)与接口端盖(1)之间留有0.2mm的间隙，减小锁定旋盘(4)在锁定及解锁的旋转过程中的摩擦力。

本发明定位销(7)底部设计为D型与接口底盘(8)的D型孔配合，为其进行周向配合。

本发明针对于以往的可重构机器人接口对接不方便、接口大、刚度强度差大等缺点，设计了一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，通过弹簧推块式的结构，利用扭簧和圆锥弹簧实现锁定旋盘的预紧和复位的作用，从而实现机械连接接口的快速可靠对接，该连接接口的作用具有接口锁定可靠、解锁和锁定快捷方便、机械结构强度高、接口连接强度刚度高、接口连接拓扑连接形式多样、体积小、主被动同构等优点；空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口极大地提高了自重构机器人重构能力和工作能力，具有较高的应用前景。

附图说明：

附图1是本发明的总体机构剖面图。

附图2是本发明的总体装配图。

附图3是本发明的接口锁定剖面图。

附图4是本发明的一种实施例：当空间球形自重构细胞机器人进行赤道接口与赤道接口的对接时，两个机械接口对接实现的不同的拓扑连接关系图，图中标号圆圈为孔，十字圆孔为销钉，两赤道平面的夹角用外法向量的夹角表示，其中图4(1)是两个单胞机器人赤道平面夹角为90°，接口对接面销钉7、3与孔1、5配合状态图；图4(2)是两个单胞机器人赤道平面夹角为135°，接口对接面销钉7、3与孔4、8配合状态图；图4(3)是是两个单胞机器人赤道平面夹角为45°，接口对接面销钉7、3与孔8、4配合状态图。

附图5是本发明实施例中当空间球形自重构细胞机器人进行对接时，不同位置机械接口对接实现的不同的拓扑连接关系图，图5(1)为极点接口与极点接口对接示意图，图5(2)为纬线接口与为纬线接口对接示意图，图5(3)为极点接口与纬线接口对接示意图，图5(4)为纬线接口与赤道接口对接示意图，图5(5)为极点接口与赤道接口对接示意图，图5(6)为赤道接口与赤道接口对接示意图。附图6是本发明中空间球形自重构细胞机器人通过机械连接接口拓扑连接实现的四足机器人构型图。

附图标记：接口端盖(1)、接口对接盘(2)、锁定滑动套筒(3)、锁定旋盘(4)、圆锥弹簧(5)、扭簧(6)、锁定销(7)、接口底盘(8)、接口滑动内槽筒(9)。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本发明针对于以往的可重构机器人接口对接不方便、接口大、刚度强度差大等缺点，设计了一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，其通过弹簧推块式的结构，利用扭簧和圆锥弹簧实现锁定旋盘的预紧和复位的作用，从而实现机械连接接口的快速可靠对接；具有接口锁定可靠、解锁和锁定快捷方便、机械结构强度高、接口连接强度刚度高、接口连接拓扑连接形式多样、体积小、主被动同构等优点。

本发明包括接口端盖(1)、接口对接盘(2)、锁定滑动套筒(3)、锁定旋盘(4)、圆锥弹簧(5)、扭簧(6)、锁定销(7)、接口底盘(8)、接口滑动内槽筒(9)；所述接口端盖(1)通过沉头螺钉与锁定滑动套筒(3)固定连接；所述接口对接盘(2)上设计有周向分布的4个凹槽与接口端盖(1)配合，限制接口对接盘(2)的周向转动，同时接口端盖(1)的凸台压紧锁定滑动套筒(3)为其提供轴向定位；所述锁定滑动套筒(3)与接口滑动内槽筒(9)外伸凸台进行配合，使其仅可沿空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口轴线上下运动；所述锁定旋盘(4)与锁定滑动套筒(3)外圆配合，通过锁定滑动套筒(3)的轴肩进行轴向定位，并且锁定旋盘与接口端盖之间留有0.2mm的间隙，减小锁定旋盘(4)在锁定及解锁的旋转过程中的摩擦力；所述圆锥弹簧(5)为大弹力推簧，安装于锁定滑动套筒(3)和接口底盘(8)之间并通过两者进行轴向定位；所述扭簧(6)与锁定销外圆配合，并通过钩环与锁定旋盘配合，扭簧另一端通过与接口滑动内槽筒接触提供周向定位，防止其转动；所述定位销通过沉头螺钉与接口底盘进行固定连接，定位销(7)底部设计为D型与接口底盘的D型孔配合，为其进行周向配合；所述接口底盘通过螺钉与空间球形自重构细胞机器人固定连接，安装在机器人单元机体上；所述接口滑动内槽筒通过螺纹与接口底盘进行连接，并进行冲点防松进行固定连接。

本发明通过沉头螺钉固定在空间球形自重构细胞机器人机体上。

本发明锁定销(7)的头部为球形，锁定旋盘(4)的锁定凸起为楔形斜面，该类型的结构可使接口对接过程中锁定销方便快捷的与锁定旋盘的楔形斜面配合。

本发明所述接口底盘设计有4个与锁定销钉配合的D形孔，可根据实际的工作需求安装定位销。

本发明所述接口锁定销形状尺寸分别相同，各锁定销之间具有互换性。

实施例1：

本例提供了一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，包括接口端盖(1)、接口对接盘(2)、锁定滑动套筒(3)、锁定旋盘(4)、圆锥弹簧(5)、扭簧(6)、锁定销(7)、接口底盘(8)、接口滑动内槽筒(9)；所述接口端盖(1)通过沉头螺钉与锁定滑动套筒(3)固定连接；所述接口对接盘(2)上设计有周向分布的4个凹槽与接口端盖(1)配合，限制接口对接盘(2)的周向转动，同时接口端盖(1)的凸台压紧锁定滑动套筒(3)为其提供轴向定位；所述锁定滑动套筒(3)与接口滑动内槽筒(9)外伸凸台进行配合，使其仅可沿空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口轴线上下运动；所述锁定旋盘(4)与锁定滑动套筒(3)外圆配合，通过锁定滑动套筒(3)的轴肩进行轴向定位，并且锁定旋盘(4)与接口端盖(1)之间留有0.2mm的间隙，减小锁定旋盘(4)在锁定及解锁的旋转过程中的摩擦力；所述圆锥弹簧(5)为大弹力推簧，安装于锁定滑动套筒(3)和接口底盘(8)之间并通过两者进行轴向定位；所述扭簧(6)与锁定销(7)外圆配合，并通过钩环与锁定旋盘(4)配合，扭簧(6)另一端通过与接口滑动内槽筒(9)接触提供周向定位，防止其转动；所述定位销(7)通过沉头螺钉与接口底盘(8)进行固定连接，定位销(7)底部设计为D型与接口底盘(8)的D型孔配合，为其进行周向配合；所述接口底盘(8)通过螺钉与空间球形自重构细胞机器人固定连接，安装在机器人单元机体上；所述接口滑动内槽筒(9)通过螺纹与接口底盘(8)进行连接，并进行冲点防松进行固定连接。本发明通过沉头螺钉固定在空间球形自重构细胞机器人机体上。

本实施方案中的接口端盖(1)的作用是为锁定旋盘(4)和接口对接盘(2)提供定位安装作用；接口对接盘(2)的作用是提供对接孔，在对接过程中对其它接口的定位销起周向定位作用；锁定滑动套筒(3)的作用是与接口滑动内槽筒(9)配合，使得接口对接盘(2)等零件的直线运动，从而实现接口的锁定与解锁；锁定旋盘(4)的作用是用于与锁定销凹槽配合，实现锁定销的锁定工作；圆锥弹簧(5)的作用是为接口对接盘(2)提供回复力；扭簧(6)的作用是在解锁及锁定过程中为锁定旋盘(4)提供运动回复力；锁定销(7)的作用是在接口对接过程中，先进行定位，为后续接口对接过程中，提供准确定位，而且锁定销(7)还可以为扭簧(6)提供定位、安装作用；接口底盘(8)的作用是为其他零件提供定位安装作用；接口滑动内槽筒(9)的作用是提供直线运动的滑槽，使接口对接面上下运动实现对接与解锁。

本例的工作过程如下：空间球形自重构细胞机器人通过内部的传感器感知外部环境，通过控制算法对当前的任务所需构型进行重构和优化。当空间球形自重构细胞机器人进行锁定过程，空间球形自重构细胞机器人细胞单元之间相互靠近，通过机器人内部的相机进行粗定位，粗定位完成后，两连接接口通过定位销进行预定位。预定位完成后，两空间球形自重构细胞机器人单元继续靠近，定位销向另外一个接口内部运动，并通过与另外一个接口的锁定旋盘的楔形凸起接触滑动，并压缩扭簧，定位销带动另外一个接口的锁定旋盘旋转运动，此时锁定销钉可通过另一个接口的接口对接盘、锁定旋盘插到另外一个接口内部，此时扭簧压缩恢复，扭簧带动锁定旋盘反方向运动，锁定旋盘的楔形凸起卡入定位销的卡槽内完成锁定；当空间球形自重构细胞机器人对接需要解锁时，通过空间球形自重构细胞机器人或者外界其他辅助设备点碰锁定旋盘，推动锁定旋盘转动，锁定旋盘的楔形凸起脱离定位销的卡槽，此时空间球形自重构细胞机器人通过自身运动使两个连接接口分离，在扭簧的作用下，锁定旋盘反方向运动恢复至初始状态，连接接口解锁完毕。

Claims (6)

1.一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，其特征在于，设有接口端盖(1)、接口对接盘(2)、锁定滑动套筒(3)、锁定旋盘(4)、圆锥弹簧(5)、扭簧(6)、锁定销(7)、接口底盘(8)、接口滑动内槽筒(9)，其中所述接口端盖(1)与锁定滑动套筒(3)固定连接，所述接口对接盘(2)上设计有周向分布的与接口端盖(1)配合的凹槽，以限制接口对接盘(2)的周向转动，接口端盖(1)压紧锁定滑动套筒(3)为其提供轴向定位；所述锁定滑动套筒(3)与接口滑动内槽筒(9)的外伸凸台进行配合，使接口滑动内槽筒(9)仅可轴线上下运动；所述锁定旋盘(4)与锁定滑动套筒(3)外圆配合，通过锁定滑动套筒(3)的轴肩进行轴向定位，并且锁定旋盘(4)与接口端盖(1)之间留有间隙，以减小锁定旋盘(4)在锁定及解锁的旋转过程中的摩擦力；所述圆锥弹簧(5)安装于锁定滑动套筒(3)和接口底盘(8)之间，并通过两者进行轴向定位；所述扭簧(6)与锁定销(7)外圆配合，并通过钩环与锁定旋盘(4)配合，扭簧(6)另一端通过与接口滑动内槽筒(9)接触以提供周向定位，防止其转动；所述定位销(7)与接口底盘(8)进行固定连接，定位销(7)底部形状与接口底盘(8)的销孔形状配合，以进行周向配合；所述接口底盘(8)通过螺钉与空间球形自重构细胞机器人固定连接，安装在机器人单元机体上；所述接口滑动内槽筒(9)通过螺纹与接口底盘(8)进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，其特征在于，接口端盖(1)用于为锁定旋盘(4)和接口对接盘(2)提供定位安装作用；接口对接盘(2)提供对接孔，在对接过程中对其它接口的定位销起周向定位作用；锁定滑动套筒(3)用于与接口滑动内槽筒(9)配合，使得接口对接盘(2)等零件的直线运动，从而实现接口的锁定与解锁；锁定旋盘(4)用于与锁定销凹槽配合，实现锁定销的锁定工作；圆锥弹簧(5)的为接口对接盘(2)提供回复力；扭簧(6)用于在解锁及锁定过程中为锁定旋盘(4)提供运动回复力；锁定销(7)用于在接口对接过程中，先进行定位，为后续接口对接过程中，提供准确定位，而且锁定销(7)还为扭簧(6)提供定位、安装作用；接口底盘(8)的作用是为其他零件提供定位安装作用；接口滑动内槽筒(9)用于提供直线运动的滑槽，使接口对接面上下运动实现对接与解锁。

3.根据权利要求1所述的一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，其特征在于，所述接口对接盘(2)上设计有周向分布的4个凹槽与接口端盖(1)配合，限制接口对接盘的周向转动。

4.根据权利要求1所述的一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，其特征在于，锁定旋盘(4)与接口端盖(1)之间留有0.2mm的间隙，减小锁定旋盘(4)在锁定及解锁的旋转过程中的摩擦力。

5.根据权利要求1所述的一种空间球形自重构细胞机器人主被动同构多拓扑连接机械接口，其特征在于，定位销(7)底部设计为D型与接口底盘(8)的D型孔配合，为其进行周向配合。

6.一种空间球形自重构细胞机器人，其特征在于机体上设有如权利要求1-5中任意一项所述的主被动同构多拓扑连接机械接口。

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